Konfokális mikroszkópia elméleti bevezetõ

Konfokális mikroszkópia elméleti bevezetõ A konfokális mikroszkóp fluoreszcensen jelölt minták vizsgálatára alkalmas. Jobb felbontású képeket ad, mint a hagyományos fluoreszcens mikroszkópok, és képes "optikai szeletelésre", vagyis képet alkotni a minta egyetlen szeletérõl. A kapott digitális kép számítógéppel kezelhetõ és elemezhetõ. Több szelet képét összerakva a fluorofór térbeli elhelyezkedése is vizsgálható. 1. A konfokális elv A konfokális képalkotás lényege, hogy a rendszer csak a fókuszsíkból jövõ fényt detektálja. Az elrendezés az alábbi ábrán látható: A hagyományos mkroszkópokkal szemben, ahol a minta egy területét éri a megvilágítás, a konfokális mikroszkópnál egyszerre csak a minta egy pontját világítják meg. A lézer fényforrás fényét az objektív lencse a minta egy pontjára fókuszálja (ez esetben az objektív játssza a kondenzor szerepét is), majd a mintából eredõ fluoreszcens ill. visszavert fényt ugyancsak az objektív gyûjti össze. A minta egy adott síkjából jövõ fény az optikai rendszeren való áthaladás után egy adott fókuszpontban öszpontosul, majd a detektorba jut. Ha egy kicsiny átmérõjû rést úgy helyezünk el, hogy nyílása éppen erre a fókuszpontra essen, ez nem befolyásolja lényegesen a fókuszsíkból jövõ fényt (folytonos vonal), viszont a fókuszsíkon kívülrõl jövõ fényt szinte teljesen kirekeszti (szaggatott vonal). Mivel egyszerre csak a minta egyetlen pontját világítja meg, a konfokális elrendezés önmagában nem ad képet. Ahhoz, hogy képet kapjunk, sorra végig kell pásztázzuk a vizsgálandó terület minden egyes pontját. Ezt a jelenleg használatos rendszerek többségénél pásztázó nyalábbal oldják meg (beam scanning). Ekkor az eltérített nyaláb sorra végigfut a terület minden pontján, épp úgy, ahogy az elektronsugár a tévé képernyõn. A detektor minden egyes pontban megméri a fény intenzitását, ezekbõl a konfokális mikroszkópia 1/24

számítógép összerakja a képet. 2. A konfokális mikroszkóp elõnyei A hagyományos mikroszkópokkal szemben a konfokális mikroszkóp elõnyei a következõk: a) jobb felbontású képek készíthetõk; b) képes kiszûrni a fókuszsíkon kívülrõl eredõ fényt, így a képek kontrasztosabbak és kevésbé elmosódottak; c) az "optikai szeletelés" és a számítógépes adatfeldolgozás segítségével vastag minták 3-dimenziós struktúrái is feltérképezhetõek. Egy mikroszkóp kulcsfontosságú paramétere nem a nagyítás, hanem a felbontás. Egy tárgy képe elvileg végtelenszer felnagyítható, de ez nem jelenti azt, hogy további részleteket látunk majd a képen. Készíthetünk például egy fényképet a Holdról, de hiába nagyítjuk a képet tovább és tovább, sohasem fogjuk meglátni az asztronauták lábnyomát. A felbontó- vagy feloldóképesség az optikai mûszernek az a képessége, hogy két közeli, különálló, apró tárgyrészlet képét különállónak adja vissza. A felbontás számértékkel úgy adható meg, mint az a legkisebb távolság két közeli, de különálló tárgypont között, amely esetén a két pont képe még különállónak látszik. Elméletileg egy konfokális mikroszkóp felbontása fluoreszcens minták vizsgálata esetén 0,7-szerese egy hagyományos mikroszkóp felbontásának. Ez az optimális érték megközelíthetõ, de szennyezett, rosszul beállított optikai elemek, vagy rezgések csökkentik az elérhetõ felbontást. A minta fókuszsíkjából jövõ fény képes áthaladni a fényútba helyezett kicsiny résen, és elérni a detektort. Ezzel szemben a rés a fókuszsíkon kívülrõl jövõ fényt hatékonyan kizárja. Így a rendszer a mintának csak egy igen vékony szeletérõl alkot képet. Az eljárást "optikai szeletelésnek" nevezik. Általa lehetõvé válik vastag biológiai preparátumok nagyon vékony (akár 1 µm-nél vékonyabb) szeleteinek vizsgálata. Számos ilyen optikai szeletet készítve, finoman eltolva a fókuszt az egyes felvételek között, egy olyan képsorozatot kapunk, amely a minta 3-dimenziós szerkezetét tükrözi. A hagyományos, mechanikai metszési eljárásokkal szemben ez a következõ elõnyöket nyújtja: 1) sokkal gyorsabb; 2) a készített képek tökéletesen illeszkednek, leegyszerüsítve a térbeli rekonstrukciót; 3) élõ minták is tanulmányozhatók. Az optikai szeletelés akkor végezhetõ el, ha a minta szemitranszparens, mert ekkor a fény áthatolhat a felsõbb rétegeken, hogy megvilágítsa az alsóbbakat. Ez a feltétel szerencsére teljesül a legtöbb biológiai mintára. Konfokális mikroszkóppal néhány 100 µm vastagságú minták rutinszerûen tanulmányozhatók. konfokális mikroszkópia 2/24

3. Felépítés Egy konfokális rendszer gyakorlati megvalósítását az alábbi ábra vázolja: Legtöbb esetben egy több hullámhosszú lézer szolgál fényforrásként. A fényútba helyezett szûrõkkel kiválasztható a kívánt hullámhosszú gerjesztés. A lézer fényét egy dikroikus tükör a pásztázó tükrökre vetíti. A dikroikus tükröt a használt lézer hullámhosszának függvényében kell megválasztani, mégpedig úgy, hogy visszaverje a lézer fényét, de átengedje a mintából visszatérõ fluoreszcenciát. A pásztázó tükrök a nyalábot két merõleges irányban képesek eltéríteni, összehangolt mozgásuk eredményeként a nyaláb végigpásztázza a kívánt területet. A fény ezután a mikroszkópba jut, amely egy hagyományos mikroszkóp, és amelynek objektívje a nyalábot a mintára fókuszálja. A mintából eredõ fluoreszcens fény ugyanazon az úton, visszafelé halad, és áthalad az elsõ dikroikus tükrön, amely átengedi a gerjesztõ fénynél magasabb hullámhosszú fluoreszcenciát. A második tükör a fluoreszcencia különbözõ színû komponenseit szétválasztja, és különbözõ detektorokhoz irányítja. A detektorok elõtt elhelyezett rések kivágják a fókuszsíkon kívülrõl jövõ fényt. A detektorok mérik a fényerõsséget, és a róluk érkezõ jelsorozat alapján az elektronika és a számítógép összerakja a képet. A rendszer fontos eleme a számítógép által vezérelt fókuszmotor, amely az optikai szeletelés során meghatározott határok között pontosan eltolja a fókuszsíkot, miközben a koordinátákat a számítógép rögzíti. konfokális mikroszkópia 3/24

A mintából érkezõ fluoreszcens jel gyakran igen gyenge. A felvett kép jobb minõségû lesz, ha a rendszer több fényt gyûjt egy adott pontból, vagyis a nyaláb többet idõz egy pontban. Ez azt jelenti, hogy a pásztázás lassúbb, egy kép felvétele pedig hosszú idõt vesz igénybe. Sokszor, különösen kinetikai méréseknél, kompromisszumot kell kötnünk a pásztázás gyorsasága és a képminõség között. Alkalmas detektorral mérhetõ a mintán áthaladt fény intenzitása, amely alapján a rendszer létrehoz egy transzmissziós képet. Ez leginkább egy hagyományos világos látóterû vagy fáziskontraszt képhez hasonlít. Fontos megjegyezni, hogy a transzmissziós kép nem konfokális, tehát nem egy fókuszsíkot, hanem a minta egészét látjuk. 4. Fluoreszcencia A konfokális mikroszkóp optikája a hagyományos fluoreszcens mikroszkópok sémáját követi. A feladat a minta megvilágítása a fluorofór gerjesztési hullámhosszának megfelelõ fénnyel, majd detektálnunk kell a fluorofór által kibocsátott, magasabb hullámhosszú fluoreszcens fényt. A mintából azonban nem csak fluoreszcens fény, hanem szórt gerjesztõ fény is ered, így ha csak az elõbbit akarjuk érzékelni, az utóbbit ki kell szûrnünk. Mindezt optikai szûrõk és dikroikus tükrök segítségével oldják meg. Az optikai szûrõk színkomponensek kiszûrésére alkalmasak, azáltal, hogy csak adott hullámhossztartományban engedik át a fényt, a többi hullámhosszt pedig elnyelik. A dikroikus tükrök színkomponensek szétválasztását végzik el: visszavernek egy adott hullámhossztartományba esõ fényt, a többit pedig átengedik. Az általánosan használt elrendezésben, amelyet epi-fluoreszcens elrendezésnek neveznek, a minta megvilágítása és a fluoreszcencia detektálása ugyanarról az oldalról történik: konfokális mikroszkópia 4/24

A kívánt gerjesztõ hullámhosszt a gerjesztõ szûrõvel választják ki (G). Egy dikroikus tükör (D) vetíti a gerjesztõ fényt a mintára, amely tükör ugyanakkor átengedi a mintából jövõ fluoreszcens fényt. Végül egy emissziós szûrõ (E) csak a vizsgálni kívánt színtartományt engedi át, valamint kivágja a maradék gerjesztõ fényt is. Egy konfokális mikroszkóp esetén az elrendezés lényegében ugyanaz, azzal a különbséggel, hogy a fényforrás lézer, a fluoreszcens fényt pedig nem a szemünk, vagy film, hanem egy detektor érzékeli. További különbség, hogy mivel a lézernyaláb egyszerre csak a tárgy egy pontját világítja meg, végig kell pásztáznunk a mintát, hogy egy területrõl képet kapjunk. Kissé bonyolultabb elrendezést kell használni akkor, ha a minta különbözõ jelölõket tartalmaz, és fontos ezek fluoreszcenciájának egyidejû és független detektálása. Ennek érdekében a legtöbb konfokális rendszer több detektort tartalmaz, valamint további dikroikus tükröket, amelyek szétválasztják és a megfelelõ detektorokhoz irányítják a különbözõ színû fluoreszcens fényeket. Az alábbi ábra egy két-detektoros elrendezést mutat, ilyen a jelenlegi MRC-1024 rendszer. Tegyük fel, hogy egy zöldben illetve egy vörösben világító fluorofór fényét szeretnénk detektálni, legyenek ezek a FITC és a TRITC. A rendszerben két dikroikus tükör van. Az elsõt oly módon kell megválasztani, hogy visszaverje a gerjesztõ lézerfényt (488 nm), de átengedje mind a zöld (500-550 nm), mind a vörös (>580 nm) fluoreszcenciát. A fluoreszcens fény az elsõ tükrön való áthaladás után eléri a második tükröt, amely visszaveri a zöld színt, és átengedi a vöröset. Ily módon az egyik detektor a zöld fluoreszcenciát, a másik a vöröset érzékeli. További emissziós szûrõk leszûkítik az érzékelt tartományt, kiszûrve bármilyen maradék gerjesztõ fényt. Az alábbi ábra a FITC és a TRITC emissziós spektrumait mutatja, valamint azokat az "ablakokat", amelyeket a detektorok érzékelnek. konfokális mikroszkópia 5/24

Zavarhatja a mérést, hogy gyakran nem lehetséges egy tartományban tisztán egyetlen fluorofór emisszióját mérni. Látható az ábrából, hogy a két fluorofór széles és részben átfedõ spektruma miatt a vörös detektor a FITC emissziójának is érzékeli egy részét, annak ellenére, hogy a vörös detektor érzékelési tartományában mi csak a TRITC emisszióját szeretnénk mérni. Kisebb mértékben bár, de a TRITC jele is átlóg" a zöld tartományba. Emiatt a különbözõ jelölõk fluoreszcenciájának tökéletes szétválasztása lehetetlen. Azt mondhatjuk, hogy kettõs jelöléshez lehetõség szerint olyan jelölõpárt kell választani, amelyeknél ez az átfedés minimális. Fluoreszcens jelölõk abszorbciós és emissziós spektrumaiból megállapíthatjuk, hogy gerjeszthetõ ill. detektálható-e az illetõ festék a rendelkezésre álló rendszerrel. Az alábbi ábra a fluoreszcein abszorbciós és emissziós spektrumát mutatja. konfokális mikroszkópia 6/24

Táblázatok megadják a fluoreszcens festékek gerjesztési ill. emissziós maximumait. Ezek az értékek a két spektrum csúcsainak felelnek meg, viszont nem jelentik azt, hogy a festék kizárólag az illetõ hullámhosszon gerjeszthetõ vagy detektálható. A festék, igaz, kisebb hatásfokkal, gerjeszthetõ abban a tartományban, ahol számottevõ abszorbcióval rendelkezik. Ez az, ami leolvasható a spektrumból, de nem tudható meg az abszorbciós és emissziós maximumok alapján. Kétszínû jelölés esetén a jó felvételek kulcsa, hogy ismerjük a használt fluorofórok spektrumát vagy emissziós maximumait, mert a szûrõket és tükröket ennek alapján kell kiválasztani. 5. Képkezelés A konfokális mikroszkóp által készített képek nem analóg, hanem digitális képek. A folytonos képet a digitalizálás során véges számú képpontra osztják fel, a végsõ képet pedig sorokban és oszlopokban elhelyezkedõ képpontok, az ún. pixelek alkotják. Az egyes képpontok fényességét egy 256 árnyalatból álló skálán adják meg, ahol 0 a fekete, 255 a fehér, a közöttük lévõ értékek pedig köztes árnyalatokat jelentenek. A digitális kép tehát egy pontrács, amelynek minden pontja a 0-255 skálán megadott fényességgel rendelkezik. Egy megfelelõ felbontású digitális kép folytonos benyomást kelt. A kép felbontását a képpontok sorainak és oszlopainak számával adják meg (pl. 512 512). A nagyobb képeknek természetesen nagyobb a helyigénye a számítógépen való tároláskor. Egy 512 512 pixeles kép helyigénye kb. 1/4 MB, három színben ugyanez 3/4 MB. Egy 1024 1024 pixeles kép nagyjából 1 MB-ot foglal. Szeletek készítésekor mindezt meg kell szorozni a szeletek számával, amely sok szelet esetén egészen tekintélyes adathalmaz lehet. Standard képkezelõ eljárások A képkezelés során a kezdeti képet átalakítják annak érdekében, hogy pl. kiszûrjék a zajt, kiemeljenek adott részleteket, vagy emberi szem számára érzékelhetõbbé tegyenek különbségeket. Fényesség, kontraszt, küszöb Ideális esetben egy képen a 0-tól 255-ig terjedõ teljes intenzitásskálát kihasználjuk. Ha pl. egy képen a minimális intenzitás 0, a maximális pedig 35, ez a kép azért gyenge minõségû, mert nem láthatóak az intenzitásbeli különbségek (minden pixel a feketéhez közeli árnyalatú). Az ilyen hibát a kép felvételekor kell helyrehozni, mindazonáltal ha minden pixel 0-35 közötti intenzitású, ez a tartomány kinyújtható a teljes skálára azáltal, hogy minden képpont értékét megszorozzuk 7-el. Ekkor a skála 0-tól 245-ig tart majd. Nem lineáris átalakítással a tartomány egyes kiemelésre szánt részei jobban felerõsíthetõek. Alacsony intenzitású pixelekbõl álló zaj megszüntethetõ, ha egy adott küszöbintenzitás alatt minden képpontot feketére változtatunk. konfokális mikroszkópia 7/24

Simítás és szûrés Bizonyos esetekben a kép igen zajos, azaz nagy a közeli képpontok közötti különbség. Térbeli átlagolással, vagy simítással elmoshatók a különbségek, viszont ezáltal a felbontásból is veszítünk. Adott szûrõkkel élesíthetõ a kép, így láthatóvá tehetõk egyes részletek. Az eljárás hátránya, hogy éppúgy kiemeli a zajt és az apró képi hibákat. Az élesítés fõleg akkor hasznos, ha a minta finom struktúrákat tartalmaz. Nagyítás és kicsinyítés Ez a kép felbontásának, tehát a képpontok számának növelését vagy csökkentését jelenti. Kicsinyítéskor egybemosódhatnak fontos részletek, tehát csökken a felbontás, nagyításkor viszont nem nõ a kép valódi felbontása, csak a mérete. Színtáblák, álszínek Segítheti a megjelenítést, ha a szürke árnyalatok skáláját egy másik színskálával helyettesítjük. Több színû jelölés esetén a különbözõ jelölõk eloszlását ábrázoló képekhez zöld, piros illetve kék színeket rendelnek, majd a képeket egymásra helyezik. Hozzárendelhetõ pl. a zöld szín a FITC képhez, a vörös pedig a rodaminhoz, így a két jelölõ viszonya egy képen vizsgálható. Fontos megjegyezni, hogy a konfokális mikroszkóp által készített kép nem színes, csupán egy intenzitáseloszlást ábrázol. Az általunk hozzárendelt álszín teljesen önkényes, és bár megtehetjük, hogy a vörös fluorofór képéhez vörös színt rendelünk, ennek nincs köze a fluoreszcencia valódi színéhez. Mivel az emberi szem nem képes pontosan megkülönböztetni a szürke egyes árnyalatait, a szürke színskálát helyettesíthetjük egy váltakozó színeket tartalmazó palettával (pl. a szivárvány színei), megkönnyítve ezzel a különbségek érzékelését. A megjelenítésen túl ennek nincs különösebb jelentõsége, ez csupán játék a színekkel. A szürke színskála helyettesítésére használt színtáblák neve az angolban "lookup table" (LUT). 3D képalkotás A szeletekbõl a gép egy 3 dimenziós képet rak össze, amely többféle módon ábrázolható. Megjeleníthetõ pl. úgy, hogy az egyes szeleteket adott módon egymásra összegezzük. Az összegzés elve lehet az, hogy minden képpontba a különbözõ mélységekbõl rögzített intenzitások közül a maximális érték kerül. Összeadhatók a képpontok úgy is, hogy az egyes szeletek különbözõ súllyal szerelpeljenek a végsõ képben. Amit így kapunk tulajdonképpen nem más mint a teljes minta fluoreszcens képe, ez a kép viszont egyértelmûen részletgazdagabb, mint egy nem konfokális technikával készült fluoreszcens kép. Újabb lehetõségként létrehozható a 3d struktúra bármilyen metszete. konfokális mikroszkópia 8/24

A szeletek sorozata ezenkívül tetszõleges irányra levetíthetõ, tehát a minta "megtekinthetõ" különbözõ irányból. Akár a szeletekre síkjára merõleges vetület is vizsgálható. A minta különbözõ szögekbõl felvett vetületeit egymás után levetítve mozgó képet kapunk, amely olyan hatást kelt, mintha a minta forogna. konfokális mikroszkópia 9/24